現代轎車柴油機電控高壓噴油系統(八)

文/江蘇 范明強

(接上期)

(2)壓電噴油器的工作原理

西門子(Siemens)壓電共軌噴油器(圖5-8)的工作原理與博世(Bosch)電磁閥式共軌噴油器的原理基本相同，唯一的差別在于西門子的電液式伺服機構不是用電磁閥控制的，而是用壓電執行器控制的。由于壓電執行器能夠回收能量，電控單元(ECU)所需的控制能量要比電磁閥控制的共軌系統低得多。除此之外，由于壓電執行器采用較簡單的電流控制，因而具有較高的電磁兼容性和更高的抗干擾性。

燃油在共軌壓力下通過高壓接頭進入噴油器，經過長油道抵達噴油器針閥周圍，并通過一個經標定過的量孔進入控制室。

在噴油器沒有通電時，菌狀閥將控制室的出口封閉，共軌壓力作用在針閥推桿上，由此在噴嘴針閥上所產生關閉力與針閥回位彈簧力之和大于共軌壓力作用在噴嘴針閥承壓凸肩上的力，因而噴油器保持關閉狀態。

如果電控單元給壓電元件施加電壓信號，壓電元件就會伸長大約50μm。通過杠桿比為1:1.5的增力杠桿(圖5-9中)可將該伸長量放大，從而足以通過控制柱塞打開控制室中的菌狀閥，于是控制室中的壓力泄漏到回油管路，使作用于針閥推桿上的關閉力與回位彈簧力之和不再足以關閉噴嘴針閥，針閥被共軌壓力抬起，噴油過程開始。

為了關閉噴油器停止噴油，電控單元向壓電元件施加反向電壓，使其恢復到原始長度，控制室通往回油管路的出口又重新被菌狀閥切斷，在控制室中再次建立起共軌壓力，噴嘴針閥關閉，噴油過程結束。

壓電元件就好象是一個多層陶瓷電容器，僅在通電時才充電，在斷電時再放電，這樣就能使能量回收。在通電和斷電之間，也就是在噴嘴針閥保持開啟狀態期間，壓電執行器是不消耗能量的。

噴油器的噴油量取決于壓電執行器承受正反向電壓之間的時間間隔、共軌壓力、噴嘴針閥開啟和關閉的速度以及噴嘴中的燃油流量。最后兩個因素是噴油器結構上由制造決定了的，而共軌壓力和噴嘴針閥開啟時間可由電控單元自由選擇。電控單元為了計算這兩個參數，主要需要以下傳感器信息：加速踏板位置調節、溫度(冷卻液和燃油)、發動機轉速、大氣壓力、進氣空氣量及其溫度等，而廢氣再循環率、變速器轉速以及離合器開關和制動踏板開關等則作為校正量。若要使發動機停機，噴油器和燃油流量調節器均關閉，同時也要切斷共軌壓力調節器的控制電流。

(3)壓電噴油器的高精密度

壓電噴油器對零件表面質量和幾何精度等方面的機械性能提出了極高的要求，其最小的噴孔直徑可達到0.12 mm，并有意加工成圓錐形，噴孔內側進口處還采用液力研磨工藝倒成圓角，這樣的噴孔所噴出的油束品質更好。所有的噴嘴針閥體孔直徑在加工時都經氣動量儀實時監測，而針閥直徑按測得的噴嘴針閥體孔直徑尺寸自動配磨，這樣兩者的配和間隙極小，可達到大約2μm。

由于共軌系統工作的壓力高達160MPa，因此針閥體與針閥之間必須以如此小的公差來相互配對成不可單獨換用的偶件。這種偶件都必須在23℃的恒溫車間內進行加工，不僅幾何尺寸和配合精度要求極高，而且表面粗糙度也要達到RZ=0.6μm，并采用激光干涉儀進行無缺陷檢驗，確保噴嘴針閥體孔和針閥幾何精度的正確，從而使得針閥能夠自由滑動而滲漏極小。噴油器的最后裝配是在凈化室內進行的，為了保證加工質量完全一致，還必須進行噴射油束形狀的控制。

由于加工精度極高，并必須確保性能的高可靠性，因此即使50μm大小的微粒也會妨害正常的功能，尤其是200μm大小以上的微粒決不允許進入噴油器。

從上述介紹的噴油器加工精度情況來看，就不難理解為什么共軌系統高壓零件的清潔度要求要比以往使用的普通行程控制的噴油系統高得多，因此必須徹底改變以往的陳舊觀念和不良習慣，在高壓噴油系統的維修工作中自覺遵守有關清潔度和安全規則，養成始終保持高清潔度的習慣。

3.電控單元

西門子(Siemens)壓電共軌噴油系統的電控單元(圖5-10)配備了16位微處理器和8位安全控制器以及4MB的Flash存儲器，另外還具有8個模擬輸入口、6個數字輸入口、10個數字輸出口以及1個診斷接口和1個數據總線。重要的是壓電執行器用的驅動級帶有能量回收功能，而且在噴嘴針閥保持開啟期間無電流流動(參見圖5-11)，因而電控單元(ECU)所需的控制能量要比電磁閥控制的共軌系統低得多。

如圖5-12所示，發動機電控單元檢測和調節發動機所必需的所有過程，它根據駕駛者的意愿和發動機及汽車的運行數據(例如發動機轉速、行駛速度、冷卻液溫度和進氣空氣質量等)計算出發動機運轉所需的輸出數據(例如噴油量和廢氣再循環等)。發動機電控單元通過CAN總線與其他的電控單元(例如ABS、ASR和ESP等)進行通訊聯絡。發動機電控單元常用的輸入和輸出信號的實例示于圖5-13。

發動機和汽車行駛所需的功能塊以及調整實時應用數據組都集成在電控單元中。西門子壓電共軌噴油系統的軟件控制策略是以扭矩控制為基礎的程序結構，即電控單元將所有的要求都由以扭矩為基礎的程序結構統一協調到扭矩基礎上來，并以此作為主要依據來計算發動機運轉所需的輸出數據。它主要由圖5-14所示的功能框圖中的模塊組成，其中怠速控制器作為唯一與扭矩控制程序結構平行工作的模型，不僅承擔著控制怠速穩定運轉的任務，而且也承擔著發動機啟動的任務。

4.西門子(Siemens)共軌噴油系統的發展

共軌噴油系統還具備很大的進一步開發潛力，這對于能夠滿足未來廢氣排放法規對柴油機廢氣排放更為嚴格的限值而言也是十分必要的，因此西門子(Siemens)公司已經開發出了第三代壓電共軌噴油系統(PCR3)。

PCR3型第三代壓電共軌噴油系統最重要的創新點是全新設計的壓電直接控制式噴油器，其壓電執行器直接集成在噴嘴針閥推桿上方，這使得噴油器外形更細長，響應更快速，并改善了效率。噴油器結構的改進及其材料的進一步開發使得最高噴油壓力可高達180MPa，并在近期內還將噴油壓力提高到200MPa。同時，新型噴油器可減少回油量，使得高壓燃油泵只需較小的驅動功率，從而能提高發動機的有效功率輸出和降低燃油耗。此外，新型的PCR3噴油器具備液力補償元件，由它將壓電執行器下端的力傳遞到伺服閥上，這樣它不僅能補償制造公差，而且也能補償溫度變化所引起的長度變化以及系統可能發生的磨損，因此這種新型噴油器能在整個發動機使用壽命期內毫無偏差地行使其功能。

PCR3噴油器的另一個特點是應用了一個爆震傳感器來監測缸內燃燒過程，并能根據該傳感器所提供的信息來調節噴油參數(噴油量和噴油定時等)，從而使得廢氣排放值在整個發動機使用壽命期內始終保持穩定。

5.西門子(Siemens)共軌系統的實際操作

西門子(Siemens)共軌噴射系統的零件如果發生故障，在一般的維修車間內是無法修復的，基本上必須更新。高壓油管是一次性使用的零件，不可重復使用，必須更換，因為其密封錐面在擰緊時已經發生變形，因此重復使用其連接的密封性是得不到保障的。壓電執行器用一個大螺母緊固在噴油器上，在日常維修工作中絕不可任意松開，否則會導致噴油器失調而無法再使用。

極其重要的是，噴油器的電插頭在發動機運轉期間絕不可任意拔下，因為拔下電插頭時，噴油器可能正好是打開的，斷電后它不可能自動恢復到原始關閉位置而斷油，這樣噴油器就可能保持在打開的狀態而一直在噴油，可能導致該汽缸發生嚴重的機械損壞。

(1)安全措施

在對燃油系統進行任何操作時，都必須遵守有關人身健康安全、事故預防措施和環境保護等方面的規程和規定。高壓共軌噴油系統方面的工作只允許熟悉安全規章和特殊準備工作的專業技術人員來進行。

除此之外，考慮到燃油系統中存在著非常高的壓力(高達180MPa)，還必須注意以下規定：①在進行與高壓燃油系統相關的工作時，其附近絕對嚴禁煙火；②在發動機運轉期間不允許對高壓燃油系統進行任何操作；③發動機停機后，必須等待30s后才能開始進行操作，以便讓高壓燃油系統中的壓力恢復到環境壓力。

在發動機運轉期間，必須遵守以下幾點：①必須始終保持在可能發生高壓燃油泄漏的射程之外，以免造成嚴重的人身傷害；②操作人員的手決不能伸到高壓燃油泄漏的范圍之內，以免造成不必要的傷害；③絕不能拔下噴油器和發動機電控單元上的電插頭，否則可能會造成發動機損壞。(未完待續)